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废水厌氧处理技术的新进展-IC反应器在造纸工业上的应用

时间:2001-12-17 作者:贺延龄 来源:纸和造纸

摘要 造纸工业是国外废水厌氧处理技术应用最多的领域之一,我国在这方面存在较大差距。IC反应器是在UASB反应器基础上发展起来的新一代高效厌氧反应器,目前已经成功用于造纸工业废水处理,它具有更高的负荷和净化效率,用于废纸制浆的废水处理,负荷约在20-30kg/(m3·d),占地小于UASB反应器。IC反应器可以代替UASB作为厌氧-好氧系统的关键设备,使用IC的厌氧-好氧系统处理废纸制浆废水时,COD、BOD去除率分别达到90%和99%。IC反应器和UASB反应器用于废纸制浆造纸工厂,已经成功地实现了废水的零排放。

  关键词 造纸废水 厌氧处理 封闭循环 零排放 IC反应器

  废水的厌氧处理技术以其运行成本低、节约能源、污泥易于处置等优点,在废水处理中正发挥着越来越大的作用。国外用于出口的厌氧颗粒污泥设备主要是处理造纸废水的UASB装[1]。目前厌氧处理技术在国外造纸工业中主要应用的领域包括废纸制浆造纸废水、机械浆和化学机械浆(TMP、CTMP和APMP)废水、半化学浆(NSSC)废水以及碱法黑液蒸发冷凝液[2.3]。但是,我国造纸行业废水处理却较少应用厌氧技术,厌氧技术在我国造纸工业废水污染控制领域里存在较大差距和很大发展空间。

  目前UASB(upflow anaerobic sludge blandkt,升流厌氧污泥覆盖层)反应器已经成为最重要的和最受欢迎的厌氧反应器,世界各国(不包括中国)UASB反应器占全部造纸废水厌氧处理设备的75%[4],它在造纸废水处理中还将继续发挥其重要作用。但是废水厌氧处理技术是一个发展较快的领域,90年代由荷兰Paques公司开发的专利技术内循环厌氧反应器(简称IC反应器),成为厌氧新技术的佼佼者。IC反应器的负荷可以相当于UASB的2-3倍,反应器高度约等于UASB的3倍以上,因此占地极少,具有体积小、效率高的突出特点。自1996年用年造纸废水处理以来,发展极快,厌氧技术领域领先世界的荷兰Paques环境公司,在1996年以来的工程项目中,IC反应器工程比例大大超过了UASB反应器,造纸工业也已成为IC反应器应用最多的领域之一[5]。毫无疑问,这一新的技术发展动态值得我国环境和造纸工作者重视。

一、IC反应器原理简介


  IC反应器是在UASB反应器的基础上发展起来的技术,两种反应器中都存在厌氧细菌聚集形成的“颗粒污泥”,因此两者都是上流式颗粒污泥处理系统。废水在反应器中都是自下而上流动,污染物被细菌吸附并降解,净化过的水从反应器上部流出。事实上,IC反应器可以简单化地理解为两个上下组合在一起的UASB反应器,一个是下部的高负荷部分,一个是上部的低负荷部分。IC反应器与UASB的最大不同之处是,废水处理中由COD转化产生的生物气的引出分为两个阶段,下部产生的气体产生一个水和污泥的循环回流,由此引起的强烈的搅拌作用和高的上流速度,极大地改善了污染物从液相到颗粒污泥的传质过程,因此有极高的净化效率,这是内循环(internal circulation)一词的由来。图1是IC反应器的示意图。



图1 IC反应器结构示意图


  IC反应吕把4个重要的工艺过程集合在同一个反应器内,这4个工艺过程是:(1)进液和混合-布水系统;(2)液化床反应室;(3)内循环系统;(4)深度净化反应室。

  以下对各部分作简要介绍。

  进液和混合-布水系统

  废水通过布水系统泵入反应器内,布水系统使进液与从IC反应器上部返回的循环水、反应器底部的污泥有效地混合,由此产生对进液的稀释和均质作用。为了进水能够均匀地进入IC反应器的流化反应室,布水系统采用了一个特别的结构设计。

  流化床反应室

  在此部分,废水和颗粒污泥混合物在进水与循环水的共同推动下,迅速进入流化床室。废水和污泥之间产生强烈而有效的接触。这导致很高的污染物向生物物质(即颗粒污泥)的传质速率。在流化床反应室内,废水中的绝大部分可生物降解的污染物被转化为生物气。这些生物气在被称为一级沉降的下部三相分离器处收集并导入气体提升器,通过这个提升装置部分泥水混合物被传送到反应器最上部的气液分离器,气体分离后从反应器导出。

  内循环系统

  在气体提升器中,气提原理使气、水、污泥混合物快速上升,气体在反应器顶部分离之后,剩余的泥水混合物经过一个同心的管道向下流入反应器底部,由此在反应器内形成循环流。气提动力来自于上升的和返回的泥水混合物中气体含量的巨大差别,因此,这个泥水混合物的内循环不需要任何外加动力。有意思的是,这个循环流的流量随着进液中COD的量的增大而自然增大,因此反应器具有自我调节的作用,原因是在高负荷条件下,产生更多的气体,从而也产生更多的循环水量,导致更大程度的进水的稀释。这对于稳定的运行意义重大。

  深度净化室

  经过一级沉降之后,上升水流的主体部分继续向上流入深度净化室,废水中残存的生物可降解的COD被进一步降解,因此这个部分等于一个有交的后处理过程。产生的气体在称为二级沉降的上部三相分离器中收集并导出反应器,由于在深度净化室内的污泥负荷较低、相对长的水力保留时间和接近于推流的流动状态,废水在此得到有效处理并避免了污泥的流失。废水中的可生物降解COD几乎得到完全的去除。由于大量的COD已在流化床反应室中去除,深度净化室的产气量很小,不足以产生很大的流体湍动,加之,内循环流动不通过深度净化室,因此流体的上流速度很小。这两个原因使生物污泥能很好地保留在反应器内,即使反应器负荷数倍于UASB时也如此。由于深度净化室的污泥浓度通常较低,有相当大的空间允许流化床部分的污泥膨胀进入其中,这就防止了高峰负荷时污泥的流失。

二、应用实例


  IC反应器当前在造纸行业应用较多的是用各类废纸作原料的造纸厂,即二次纤维制浆造纸工厂,其中包括脱墨和不脱墨的各类废纸制浆工艺的废水处理。处理的目的包括实现一般的达标排放,通过治理后的废水回用,即不同程度的封闭循环,或者完全没有废水排放的零排放,达到节水和治污的双重目的。以下选择典型的情况作一介绍。

  3家实现废水达标排放的造纸厂

  (1)3家造纸厂情况介绍

  工厂1(Sical,法国)

  年产5万t瓦楞原纸和箱纸板,使用废纸为原料。1996年该厂建立了厌氧-好氧废水处理系统,其中厌氧反应器是100m3的IC反应器,设计废水处理能力为1000m3/d,处理COD2000kg/d。

  工厂2(Wepa,德国)

  年产7万t卫生纸,使用废纸脱墨制浆和部分商品浆。该厂原废水处理系统采用好氧的生物滴滤池和活性污泥工艺,在废水排放前还要经过一个氧化塘进一步净化。由于滴滤池的效果差、堵塞以及处理能力不足,该厂决定采用385m3的IC反应器取代滴滤池,设计能力为每天处理COD9520kg,废水流量为4000m3/d。

  工厂3(Europa Carton III,德国)

  年产30万t瓦楞纸和箱纸板,使用二次纤维为原料。直到1998年该厂还使用UASB反应器作为其厌氧-好氧工艺的关键设备,UASB之后是活性污泥工艺。由于生产能力增加,工厂需要新增12500kgCOD/d处理能力。最终工厂在465m3的IC反应器和1000m3的UASB反应器的方案中采用了前者。

  以上3个造纸厂的IC反应器的主要几何尺寸如表1所示。

  表1 3个造纸厂废水处理中的IC反应器特征尺寸[6,7]




工厂 反应器容积(m3) 反应器直径(m) 反应器高度(m) 设计能力(kgCOD/D)
1 100 2.85 16 2000
2 385 5 20 9520
3 465 5 24 12500


  (2)3家工厂的运行情况

  3家造纸厂的IC反应器运行中表现出的共同规律是随着废水COD浓度增高,COD去除率上升,研究发现这是因为废水COD的峰值主要由更容易生物降解的物质例如淀粉引起。3个反应器的运行都证明,COD去除效率是反应器容积负荷的函数,较高的负荷下COD去除率也较高。除了与进液浓度有关的生物可降解性的变化外,这个较高的去除率可以认为是高负荷下,由于产气的增加,流体内循环比例随之增大,使生物污泥和废水之间产生更强烈的接触。运行中COD浓度和反应器容积负荷波动非常大(见表2),但反应器的运行始终非常稳定,出水挥发性脂肪酸(VFA)始终很低。

  运行情况表明,IC反应器在浓度和负荷大幅度波动的情况下,具有非常好的自我调节能力,反应器的运行始终稳定。

  比利时VPK Oudegem纸厂高度封闭循环的废水处理系统

  比利时VPK Oudegem纸厂原有生产能力1000t/d时,决定投资300万美元扩大其循环水处理系统,其目标是把循环水COD浓度从1000mg/L降低到5000mg/L。经过沉淀澄清以后,绝大部分直接回用于生产。全厂进入生化处理系统的循环水为500m3/h,其中350m3/h循环水不经过冷却直接进入IC反应器和曝气池处理,处理后全部回用于浆料的稀释及低压喷淋(图2回用水A)。另一部分(150m3/h)进入原有的厌氧(采用UASB反应器)-好氧系统(活性污泥法),出水可以经过过滤,成为质量更高的回用水B,主要用于真空泵的水封或者洗毛毯及铜网。经过一段时间处理后,生产系统排往水处理系统的循环水COD浓度由10000mg/L减少到5000mg/L,完全满足纸板厂工艺的要求。这个工厂在1999年开始生产。



图2 比利时VPK Oudegem造纸厂废水处理及回和流程[7]


  表2 3家造纸厂IC反应器运行情况的平等数据[6,7]




工厂 设计最大负荷[kgCOD/(m3·d)] 实际运行负荷[kgCOD/(m3·d)] 进液COD浓度(mg/L) COD去除率(%)
1 20 5-26 650-2650 60-75
2 24 9-20 1510-2920 58-74
3 27 9-24 1250-3515 61-86


  在零排放纸厂中的应用

  如本文作者在另一篇文章中介绍的,厌氧技术引入纸厂的封闭循环和零排放系统,可以解决包括封闭循环和零排放后有机酸和盐积累引起的腐蚀、腐浆、产品臭味、操作条件恶化,二次胶粘物引起的树脂障碍,阴离子“垃圾”引起的湿部添加剂用量增加,钙积累引起的水硬度上升、设备结垢、纸机断纸次数增加等等问题,其中一些问题是单纯的好氧处理方法不能解决的[8]

  在废水零排放的造纸厂中已经成功运行了厌氧-好氧处理工艺,零排放的工厂,所有废水1-4m3/t纸,这些清水其实仅仅补充了蒸发和浆渣中带走的水分,废水处理系统可以看作是水的闭路循环的一个组成部分。第一个这样的“在线”工艺是1995年在德国的Kappa Zulpich纸板厂投入使用的。

  致力于改进这类工艺的研究仍在继续进行,主要的想法除了使反应器更紧凑,效率更高外,还要适应封闭循环后水温升高的特点,使反应器能够直接处理水温高于40℃的循环水,而不必采用降温系统。采用IC反应器成功地实现了以上预期目的。

  研究和实践证明,IC反应器除了以上突出优点外,还具有对含悬浮物的废水更好的适应性。通常认为轻质悬浮物易于将微生物从UASB反应器中带走,从而引起污泥流失,但在IC反应器悬浮物不引起污泥的流失。这对于轻质悬浮物含量高的废水较为重要,IC反应器用于含纤维的造纸废水和含大量酵母细胞的酵母生产废水处理的实践证明,轻质的悬浮物不影响反应器的处理效果,也不引起生物物质的流失。

  以上两个优点使IC反应器在零排放造纸厂有取代UASB反应器的趋势[9]

  零排入实例1(Kappa Graphic Board)

  荷兰某纸厂[9]使用废纸板为原料,每日生产400t箱纸板。生产过程的废水经过厌氧-好氧处理后全部回用,实现了废水零排放。厌氧工艺采用了IC反应器。图3是该厂废水处理系统的示意图。



图3 荷兰某造纸厂废水零排放工厂和循环水处理流程示意图[7]


  这个工艺实际上是在原先采用中温的UASB反应器的零排放工厂的基础上改进的,以高温的IC代替了中温的UASB,循环水可以不经过降温直接处理,实际的运行温度是55℃。曝气塔是一个高10m的气提反应器(air lift reactor),以压缩机和射流曝气器曝气。这个工厂设计处理量是90m3/h。整个设计效率高、占地少,并且非常好地适应高温条件。这个系统处理的效率为COD去除率90%以上,BOD去除率99%。由于有循环水的处理系统,工艺循环水的浓度维持在3000-4000mgCOD/L的水平。该厂于1999年10月启动运行,投资250万美元。

  零排放实例2

  西班牙的Papelera de la Alqueria造纸厂日产100t瓦楞原纸。该厂在技术上可以实现废水零排放,但是由于溶解性COD的积累,不得不排放废水,以便保持循环水浓度在18000mg/L以下。工厂最终决定建立厌氧-好氧处理系统。图4是仅仅包括调节、IC反应器、好氧处理三个步骤的工艺流程。预计在实现封闭循环后水温将上升,因此设计处理水温在55℃(温度范围40-60℃),为此必须培养嗜热的厌氧细菌,在这个厂的IC反应器和在上述的比利时工厂里,采用了逐步升温的办法实现晴热菌增长。这个工厂于2000年3月启动运行,工厂实现了零排放,并使工艺循环水浓度维持在5000mg/L以下,完全实现了设计目标。



图4 西班牙Papelera de la Alqueria造纸厂的零排放废水处理系统


  参考文献

  1 北京市环保科学研究院.难降解有机工业废水高效生物技术及其关键设备研究.国家“九五”科技攻关项目技术报告,2000.12

  2 贺延龄、皇甫浩.造纸工业废水的厌氧处理技术(连载)-造纸工业废水与厌氧技术原理.西南造纸,1999(2);16-18,1999(3);7-9,1999(4);9-11

  3 贺延龄.废水的厌氧生物处理.北京:中国轻工业出版社,1998

  4 Habets,L.H.A.The Applecation of Anaerobie Waste Water and Process Water Treatment in the Paper Industry.Technical Report,Pqques BV,The Nether lands.1999

  5 戚恺.IC反应器在造纸行业的应用.国际造纸,2001,20(3):59-60

  6 Driessen,W.J.B.M.et al.Anaerobie treatment of recycled paper mill effluent with the internal circulation reactor,6th IAWQ Symposium on Forest Industry Wastewaters,Tampere,Finland,6-10 June 1999

  7 Habets,L.H.A.et al.Zero Effluent by Application of biological Treatment at High Temperature,Research Report,Sponsored by the Dutch Program EET(Ecology,Economy and Technology).1999

  8 贺延龄.废纸纸浆造纸的封闭循环和零排放.中华纸业,2001,22(2):13-16

  9 Habets,L.H.A.Introduction of the IC Reactor in the Paper Industry.Technica Report,Pqques BV,The Nethe lands.1999
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